(57)【要約】【課題】  本発明は、第１段タービンバケット翼形部の内部コア輪郭に関する。【解決手段】  第１段のタービンバケット(１６)は、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った内部コア輪郭(４０)を有し、該表Ｉにおいて、Ｘ及びＹ値はインチで表されており、Ｚ値は、該Ｚ値にインチで表した翼形部の高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な無次元値である。Ｘ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける内部コア輪郭セクションを形成する距離である。各距離Ｚにおける輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて完全な内部コア輪郭を形成する。Ｘ、Ｙ及びＺ距離は、拡大・縮小した内部コア輪郭を得るために、同一の定数・数値の関数として拡大縮小可能である。Ｘ、Ｙ及びＺ距離で与えられた基準内部コア輪郭は、任意の内部コア表面位置に対して垂直な方向に±1.27mmのエンベロープ内にある。【選択図】      図２
2005121025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼形部（３６）、プラットホーム（３０）、シャンク（３２）及びダブテール（３４）を含むタービンバケット（１６）であって、
前記翼形部が、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った基準内部コア輪郭（４０）を有し、前記表Ｉにおいて、Ｚ値は、該Ｚ値にインチで表した翼形部の高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、前記翼形部に沿った各距離Ｚにおける内部コア輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、
前記Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて前記翼形部内部コア輪郭を形成する、
タービンバケット。
【請求項２】
前記翼形部が、側壁（４８）と該側壁間で延びるリブ（４６）とを有しており、前記リブが、前記翼形部の前縁及び後縁間で互いに間隔を置いて配置され、前記側壁の内部壁面と共に前記翼形部の長さに沿った内部冷却通路（３５）を形成し、前記滑らかな連続円弧が、前記冷却通路の内部壁面に沿って、また隣接する通路間で前記側壁に沿って延びる、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項３】
前記滑らかな連続円弧が、前記リブと前記側壁の各々との間の接合部を通過する、請求項２記載のタービンバケット。
【請求項４】
前記バケット翼形部が、外部翼形形状（３８）を有しており、前記内部コア輪郭セクションが、前記バケット翼形部内にほぼ翼形形状の部分を含み、それらの間の壁厚さだけ小さい状態で前記バケット翼形部の外部翼形形状の輪郭セクションにほぼ整合している、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項５】
タービンの第１段の一部を形成する、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項６】
前記内部コア輪郭が、任意の内部コア表面位置に対して垂直な方向に±０．０５０インチ（１．２７ｍｍ）の範囲にあるエンベロープ内に在る、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項７】
翼形部（３６）、プラットホーム（３０）、シャンク（３２）及びダブテール（３４）を含むタービンバケット（１６）であって、
前記翼形部が、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った基準内部コア輪郭（４０）を有し、前記表Ｉにおいて、Ｚ値は、該Ｚ値にインチで表した翼形部の高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、前記翼形部に沿った各距離Ｚにおける内部コア輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、
前記Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて前記翼形部内部コア輪郭を形成し、
前記Ｘ、Ｙ及びＺ距離が、拡大又は縮小した内部コア輪郭を得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能である、
タービンバケット。
【請求項８】
前記翼形部が、側壁（４８）と該側壁間で延びるリブ（４６）とを有しており、前記リブが、前記翼形部の前縁及び後縁間で互いに間隔を置いて配置され、前記側壁の内部壁面と共に前記翼形部の長さに沿った内部冷却通路（３５）を形成し、前記滑らかな連続円弧が、前記冷却通路の内部壁面に沿って、また隣接する通路間で前記側壁に沿って延びる、請求項７記載のタービンバケット。
【請求項９】
前記滑らかな連続円弧が、前記リブと前記側壁の各々との間の接合部を通過する、請求項７記載のタービンバケット。
【請求項１０】
前記バケット翼形部が、外部翼形形状（３８）を有しており、前記内部コア輪郭セクションが、前記バケット翼形部内にほぼ翼形形状の部分を含み、それらの間の壁厚さだけ小さい状態で前記バケット翼形部の外部翼形形状の輪郭セクションにほぼ整合している、請求項７記載のタービンバケット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの段のバケットに関し、具体的には第１段タービンバケット翼形部の内部コア輪郭に関する。
【背景技術】
【０００２】
全体的な効率及び翼形部負荷の改善を含む設計目標に適合させるために、ガスタービンの各段の高温ガス流路セクションにおいて多くの要件が満たされなければならない。特に、タービンセクションの第１段のバケットは、その特定の段における作動要件を満たし、かつバケット冷却流量、重量及びバケット寿命に対する要件も満たさなければならない。内部冷却要件は、最適化されなければならず、タービンが安全かつ効率的にしかも円滑な状態で作動することを可能にする段の性能要件を満たすような固有の翼形部内部コア輪郭を必要とする。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の好ましい実施形態によると、ガスタービンの性能を向上させるガスタービンのバケット翼形部、好ましくは第１段翼形部用の固有の内部コア輪郭を提供する。バケット翼形部の外部翼形形状は、タービンの様々な段の間の相互作用を改善し、空気力学的効率の向上及び第１段翼形部の空気力学的及び機械的負荷の改善をもたらすことが、分かるであろう。好ましいバケット用の翼形部外部輪郭は、２００４年特願１５８５１５号に記載されており、その開示内容は、参考文献として組み入れられる。同時に、翼形部の内部コア形状はまた、構造上の理由から及び適当な壁厚さで内部冷却を最適化するために重要である。翼形部内部コア輪郭は、必要な構造要件及び冷却要件を達成し、それによってタービン性能の向上が得られるような、固有の点の軌跡によって定められる。この固有の点の軌跡は、基準内部コア輪郭を定め、以下に示す表ＩのＸ、Ｙ及びＺデカルト座標により特定される。表Ｉに示す座標値に対する１１００個の点は、翼形部のその長さに沿った様々な断面における低温即ち室温のバケット翼形部のためのものである。Ｘ、Ｙ及びＺの正の方向は、それぞれ、タービンの排出端部に向かう軸方向、後方に向かって見てエンジンの回転方向における接線方向、及びバケット先端に向かう半径方向外向き方向である。Ｘ及びＹ座標は、距離のディメンション、例えばインチの単位で与えられ、各Ｚ位置において滑らかに結合されて滑らかな連続した内部コア輪郭セクションを形成する。Ｚ座標は、Ｚ＝０．０４３からＺ＝０．９９７までの無次元形式で与えられる。例えばインチで表した翼形部高さ寸法に、表Ｉの無次元Ｚ値を乗じることによって、翼形部の内部コア輪郭が得られる。Ｘ、Ｙ平面内の各形成されたコア輪郭セクションが、Ｚ方向における隣接する輪郭セクションと滑らかに結合されて完全な翼形部内部コア輪郭を形成する。
【０００４】
この好ましい第１段タービンバケット翼形部は、外部の凹面形及び凸面形の側壁面を含み、リブが、内部で、外部側壁面を形成する側壁間で延びかつ該外部側壁面を形成する側壁と一体に形成される。リブは、翼形部の前縁及び後縁間で互いに間隔を置いて配置され、翼形部側壁の内部壁面と共に翼形部の長さに沿った好ましくは形状が蛇行した内部冷却通路を形成する。Ｘ、Ｙ座標間で延びて各距離Ｚにおける各輪郭セクションを形成する滑らかな連続円弧が、冷却通路の内部壁面に沿って、また隣接する通路間で側壁の各々に沿って延びて、隣接する外部壁面にほぼ整合する。その結果、各内部コア輪郭セクションは、冷却通路の側壁に沿うだけでなく、リブと側壁の各々との間の接合部又は境界面も通過するエンベロープ部分を有する。これらの内部コア輪郭セクションは、形状がほぼ翼形形状であり、かつ各Ｚ距離における壁厚さだけ小さい状態でバケット翼形部の外部翼形形状にほぼ整合している。
【０００５】
各翼形部は使用中に高温になるので、機械的負荷及び温度の結果として、その内部コア輪郭が変化することになることが分かるであろう。従って、低温即ち室温輪郭は、製造目的のためのＸ、Ｙ、Ｚ座標によって与えられる。製造されたバケット内部コア輪郭は、下表により与えられた基準輪郭とは異なる可能性があるために、基準輪郭に沿った任意の表面位置対して垂直な方向の、該基準輪郭からプラス又はマイナス０．０５０インチ（１．２７ｍｍ）の距離により、この翼形部内部コア輪郭の輪郭エンベロープが定まる。この輪郭は、このような差異に強く、バケットの機械的機能、冷却機能及び空気力学的機能を損なうことがない。
【０００６】
翼形部は、類似のタービン設計に取り入れるために幾何学的に拡大又は縮小することが可能であることも理解されたい。その場合、下に与えられた基準内部コア輪郭のインチで表したＸ及びＹ座標とインチに換算された場合の無次元Ｚ座標とは、同一の定数又は数値の関数とすることができる。即ち、インチで表したＸ、Ｙ及びＺ座標値を、同一の定数又は数値により乗算又は除算して、コア輪郭断面形状を維持しながら翼形部内部コア輪郭の拡大又は縮小バージョンを得ることができる。
【０００７】
本発明による好ましい実施形態では、翼形部、プラットホーム、シャンク及びダブテールを含むタービンバケットを提供し、翼形部は、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った基準内部コア輪郭を有し、該表Ｉにおいて、Ｚ値は、該Ｚ値にインチで表した翼形部の高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、翼形部に沿った各距離Ｚにおける内部コア輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて翼形部内部コア輪郭を形成する。
【０００８】
本発明による別の好ましい実施形態では、翼形部、プラットホーム、シャンク及びダブテールを含むタービンバケットを提供し、翼形部は、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った基準内部コア輪郭を有し、該表Ｉにおいて、Ｚ値は、該Ｚ値にインチで表した翼形部の高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、翼形部に沿った各距離Ｚにおける内部コア輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されてバケット翼形部内部コア輪郭を形成し、Ｘ、Ｙ及びＺ距離は、拡大又は縮小した内部コア輪郭を得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能である。
【０００９】
本発明による更に別の好ましい実施形態では、複数のバケットを有するタービンホイールを含むタービンを提供し、バケットの各々が、翼形部、プラットホーム、シャンク及びダブテールを含み、各翼形部は、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った基準内部コア輪郭を有し、該表Ｉにおいて、Ｚ値は、該Ｚ値にインチで表した翼形部の高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、翼形部に沿った各距離Ｚにおける内部コア輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されてバケット内部コア輪郭を形成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
ここで図面、特に図１を参照すると、複数のタービン段を含むガスタービン１２の、全体を符号１０で表した高温ガス流路が示されている。ここには、３つの段が示されている。例えば、第１段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル１４及びバケット１６を含む。ノズルは、互いに円周方向に間隔を置いて配置され、ロータの軸線の周りに固定される。もちろん、第１段バケット１６は、タービンロータ１７に取付けられる。タービンの第２段１２も示されており、該第２段１２は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル１８とロータ１７に取付けられた複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット２０とを含む。更に、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル２２とロータ１７に取付けられた複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット２４とを含む第３段も示されている。ノズル及びバケットは、タービンの高温ガス流路１０内に位置しており、高温ガス流路１０を通る高温ガスの流れの方向が、矢印２６により示されていることが分かるであろう。
【００１１】
図２を参照すると、バケット、例えば第１段のバケット１６は、ロータ１７の一部分を形成するロータホイール（図示せず）上に取付けられており、プラットホーム３０、シャンク３２及びダブテール３４を含むことが分かるであろう。各バケット１６には、例えば約１５度軸から外れた実質的軸方向挿入式又はそれに近い軸方向挿入式のダブテール３４が設けられ、このダブテール３４が、ロータホイール上の相補形状の嵌合ダブテール（図示せず）に連結される。しかしながら、軸方向挿入式ダブテールとすることもできる。各バケット１６が、図２及び図６に示すように外部バケット翼形形状３８を有することも分かるであろう。従って、バケット１６の各々は、翼形部３６の形状が翼形部プラットホーム３０からバケット先端３３までの任意の断面においてバケット翼形輪郭３８になっている。第１段タービンバケットのこの好ましい実施形態では、９２個のバケット翼形部がある。本発明の一部を構成するものではないが、各第１段バケット１６は、全体的に蛇行した形状の複数の内部冷却通路３５（図６）を含み、該内部冷却通路３５は、プラットホームからバケット翼形部の先端まで延びる幾つかの空気冷却回路を形成する。これらの空気冷却回路は、翼形部の前縁及び後縁に隣接する出口位置において翼形部３６から高温ガス流路内に冷却空気を排出する。
【００１２】
より具体的には、各バケット翼形部３６は、それぞれ凹面形及び凸面形の外部壁面、即ち正圧及び負圧表面４２及び４４（図６）を含み、この正圧及び負圧表面４２及び４４が、内部コア輪郭４０との間で、翼形部壁厚さ「ｔ」を形成する。各バケット１６はまた、バケットの対向する側壁４８間で延びるか又は該側壁から突出する複数のリブ４６を含む。リブ４６は、それぞれバケット翼形部の前縁５２及び後縁５４間で互いに間隔を置いて配置され、ほぼプラットホーム３０からバケット翼形部先端３３まで延びて、バケット側壁４８の内部壁面部分４９と共に、全体的に蛇行した形状の複数の内部冷却通路３５を形成する。一部のリブ４６は、翼形部の先端の手前で終っている。
【００１３】
各第１段バケットの内部コア形状をプラットホーム３０からバケット翼形部３６の先端３３まで形成するために、段の要件、バケット冷却面積及び壁厚さを満たしかつ製造することができる、空間における固有の点の組又は軌跡が準備される。この独特の点の軌跡は、バケット内部コア輪郭４０を定めるものであり、タービンの回転軸線に対して１１００個の点の組を含む。下記の表Ｉに示すＸ、Ｙ及びＺ値のデカルト座標系が、その長さに沿った様々な位置における翼形部３６のこの内部コア輪郭４０を定める。Ｘ及びＹ座標における座標値は、表Ｉにはインチで記載されているが、数値が適当に換算される場合、他の寸法単位を用いることもできる。Ｚ値は、表ＩにはＺ＝０．０４３からＺ＝０．９９７までの無次元形式で記載されている。Ｚ値を例えばインチで表したＺ座標値に換算するためには、表に示した無次元Ｚ値に、インチで表した翼形部３６の高さが乗じられる。この好ましい第１段バケットの場合、プラットホーム３０から翼形部の先端までの翼形部高さは、６．３インチである。この好ましい翼形部におけるＺ＝０の無次元座標は、ロータ中心線（エンジン軸線）から２８．０インチである。この好ましい翼形部におけるＺ＝１の無次元座標は、ロータ中心線（エンジン軸線）からＺ＝３２．３インチである。デカルト座標系は、直交関係のＸ、Ｙ及びＺ軸を有しており、Ｘ軸は、タービンロータ中心線、即ち回転軸線に平行に位置し、正のＸ座標値は、後部、即ちタービンの排出端部に向う軸方向である。正のＹ座標値は、後方に向かって見たときのロータの回転方向における接線方向に延びており、また正のＺ座標値は、バケット先端に向かう半径方向外向き方向である。
【００１４】
Ｘ、Ｙ平面に対して垂直なＺ方向の選択された位置におけるＸ及びＹ座標値を定めることにより、例えば翼形部の長さに沿った各Ｚ距離におけるバケットの内部コア輪郭４０を確定することができ、この内部コア輪郭４０が、図６に破線及び実線で表示的に示されている。Ｘ及びＹ値を滑らかな連続円弧で接続することにより、各Ｚ距離においてこのように形成された各内部コア輪郭セクションが、決定される。距離Ｚ間の様々な内部位置の内部コア輪郭は、隣接する輪郭セクションを互いに滑らかに接続してコア輪郭を形成することによって決定される。これらの値は、周囲温度の非作動状態又は非高温状態における内部コア輪郭を表す。
【００１５】
Ｘ、Ｙ座標間で延びて各距離Ｚにおける各輪郭セクションを形成する滑らかな連続円弧は、内部壁面部分４９に沿って、また隣接する通路３５間で側壁４８の各々に沿って、プラットホームからバケット翼形部先端まで延びる。従って、各内部コア輪郭４０は、冷却通路の側壁（図６に実線で表した）に沿うだけでなく、リブ４６と側壁４８との間の接合部も通過（図６に破線で表した）するエンベロープ部分を有する。
【００１６】
表Ｉの値は、バケットの内部コア輪郭を決定するために小数点以下３桁まで作成されかつ示されている。翼形部の実際の内部輪郭には、考慮しなければならない一般的な製造公差と被膜とが存在する。従って、表Ｉに示す輪郭の値は、翼形部基準内部輪郭のためのものである。それ故、あらゆる被膜厚さを含む一般的な±製造公差、即ち±値が、下表Ｉに示すＸ及びＹ値に加算されることが分かるであろう。従って、内部コア輪郭に沿った任意の表面位置に対して垂直な方向に±０．０５０インチの距離が、この特定のバケット設計及びタービンに対する内部コア輪郭エンベロープ、即ち、基準の低温又は室温での実際の内部コア輪郭上で測定した点とそれと同一温度での下表に示したそれらの点の理想的な位置との間の差異の範囲を定める。内部コア輪郭は、この差異の範囲に強く、機械的機能及び冷却機能を損なうことがない。
【００１７】
下表Ｉに示した座標値は、好ましい基準内部コア輪郭エンベロープを提供する。
【００１８】
【表１−１】
2005121025.tif 000003
【００１９】
【表１−２】
2005121025.tif 000004
【００２０】
【表１−３】
2005121025.tif 000005
【００２１】
【表１−４】
2005121025.tif 000006
【００２２】
【表１−５】
2005121025.tif 000007
【００２３】
【表１−６】
2005121025.tif 000008
【００２４】
【表１−７】
2005121025.tif 000009
【００２５】
【表１−８】
2005121025.tif 000010
【００２６】
【表１−９】
2005121025.tif 000011
【００２７】
上記の表に開示した翼形部の内部コア輪郭は、他の類似のタービン設計において使用するために、幾何学的に拡大又は縮小することができることも理解されたい。その結果、表Ｉに記載した座標値は、翼形部の内部輪郭形状が変化しない状態に維持されて、率に応じて拡大又は縮小することができる。表１の座標の拡大又は縮小バージョンは、定数により乗算又は除算された、無次元Ｚ座標値がインチに変換された状態の表ＩのＸ、Ｙ及びＺ座標値によって表されることになる。
【００２８】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、また特許請求の範囲に示した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるためのものではなくそれらを容易に理解するためのものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の好ましい実施形態による第１段バケット翼形部を示す、多段ガスタービンを通る高温ガス流路の概略図。
【図２】バケットが、その翼形部、プラットホーム、及び実質的軸方向挿入式又はそれに近い軸方向挿入式のダブテール継手と共に示された状態の、本発明の好ましい実施形態によるバケットの斜視図。
【図３】ほぼ円周方向から見た状態における、翼形部、プラットホーム及びダブテール継手と組合わされた、図２のバケットの側面図。
【図４】バケットの平面図。
【図５】上流方向から見た状態におけるバケットの端面図。
【図６】内部コア輪郭を示すためにバケット翼形部を通る切断線で取った一般化拡大断面図。
【符号の説明】
【００３０】
１６  バケット
３０  プラットホーム
３２  シャンク
３４  ダブテール
３３  バケット先端
３５  内部冷却通路
３６  翼形部
３８  外部翼形形状
４０  内部コア輪郭
４２  正圧表面
４４  負圧表面
５２  前縁
５４  後縁
【図１】
2005121025.tif 000012
【図２】
2005121025.tif 000013
【図３】
2005121025.tif 000014
【図４】
2005121025.tif 000015
【図５】
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【図６】
2005121025.tif 000017
【外国語明細書】
2005121025000001.pdf